撰稿|由课题组供稿
近日，同济大学物理科学与工程学院声学研究所李勇教授团队在手性声学超构表面研究方面取得重要进展。研究团队构建了镜面对称破缺的声学超构表面，发现了具有手性声场的连续谱准束缚态，利用该模态对正负拓扑荷数涡旋声波的不同耦合特性达到了完美手性奇异点，实现了最大化手性声场调控。研究成果以“Observation of perfectly-chiral exceptional point via bound state in the continuum”为题发表于Physical Review Letters。同济大学为论文唯一单位，博士研究生周志凌和硕士研究生贾彬为共同第一作者，王旭副教授和李勇教授为论文通讯作者。
手性是自然界的基本属性之一。在波动系统中，它通常由圆偏振电磁波的非对称散射来表征。自然界大部分物质都具有弱手性效应，如圆二色性。然而，使一种物质的手性效应达到最大化却是很具挑战性的。前人的工作已经实现了圆偏振光的极端非对称传输，也就是圆二色性的最大化。但这局限于左右两种旋向的偏振，限制了手性物理的挖掘。
图1 完美手性奇异点处的手性极大化示意图。
图2 (a)镜面对称的超构表面，(b)镜面对称破缺的超构表面，(c)参数空间中超构表面本征态的品质因子，(d)参数空间中超构表面本征态的模式成分，(e)BIC和手性QBIC的本征场图。
研究团队建立了模式展开理论来计算超构表面受到声涡旋激发时的散射特性。当忽略系统的本征损耗时，上述手性QBIC的独特性可以从超构表面的平均声能量密度来理解[图3(a)]。计算结果显示，在右旋波入射下，手性QBIC处于非激发状态，超构表面的平均声能量密度保持在较低水平。而当入射波的旋向反转之后，手性QBIC被强烈地激发，使超构表面的平均声能量密度增大了约122倍。这代表手性QBIC引发了强烈的波与物质相互作用。通过设置复声速考虑系统的微弱本征损耗后，可以计算出散射矩阵的各个元素及其本征值。由于手性QBIC具有高品质因子，本征损耗即使十分微弱，仍然会对系统的散射特性产生显著的影响。在3112Hz附近，散射矩阵中的两个异常反射项分别达到最大化（接近1）和最小化（接近0）[图3(b)]。这导致了散射矩阵的两个本征值在参数空间的特定位置实现了简并，即达到了所谓的EP [图3(c)]。由于系统在这个EP处表现出完美吸收入手性涡旋入射波的特性，研究团队将这个EP定义为“完美的手性EP”。更有趣的是，超构表面的手性在EP处实现了最大化 [图3(d)]。
图3 (a)左、右手涡旋激发下的超构表面平均声能量密度谱，(b) 左、右手涡旋激发下的能量反射率谱，(c)散射矩阵本征值的黎曼面，(d)OAM手性谱。
研究团队通过实验验证完美手性EP处超构表面的散射特性 [图4(a)]。图4(b)为仿真入射、反射三维场图。可以发现，左旋入射波（顺时针OAM）被完全吸收，而右旋入射波（逆时针OAM）则被完全反射。实验测量的二维场图与仿真结果可以较好地吻合，证明完美手性EP与超构表面的手性最大化紧密关联。
图4 (a)实验平台示意图，(b)完美手性奇异点处的入射和反射三维场图，(c)完美手性奇异点处的入射和反射二维横截面场图，其中第一行为幅值图，第二行为相位图。
由于OAM除了正反旋向之外，还具有高阶拓扑荷数的无穷自由度。因此该研究展现的由OAM表征的手性调控可以推广到高阶情况，这将极大地丰富手性声场调控的物理内涵，为探索波动体系中更丰富的手性现象提供可能性。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金及上海市科委项目的支持。
论文链接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.116101
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